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문제 정의
- 본 연구에서는 아토마이징 제강 환원슬래그를 대량으로 소비할 수 있는 제품, 즉 맨홀 및 원형 수로관 프리캐스트 제품을 개발하기 위하여 폴리머 결합재의 첨가율 및 구형의 아토마이징 제강 환원슬래그의 용적 대체율에 따라 다양한 공시체를 제조하고 물성시험을 통하여 최적의 배합설계를 도출하고자 하였다. 폴리머 결합재는 성능과 경제성면에서 우수한 불포화폴리에스테르수지에[9,14] 폴리스티렌 수축저감재를 혼합하여 사용하였다.
제안 방법
- 90 ℃의 열수에 28일간 내열수시험을 행한 후 압축 및 휨강도를 측정하여 시험 전의 강도와 비교⋅검토하였다.
- 2 mm)를 사용하였다. 굵은 골재(5-8 mm)를 대체하여 사용한 아토마이징 제강 환원슬래그(1.2-2.5 mm)는 5단계(0, 25, 50, 27, 100%)로 변화시켜 총 20종의 배합에 대하여 공시체를 제조하였다. 긁은 골재를 대체하여 사용한 제강 환원슬래그는 대체되는 굵은 골재와 동일한 부피가 되도록 설계하였다.
- 5 mm)는 5단계(0, 25, 50, 27, 100%)로 변화시켜 총 20종의 배합에 대하여 공시체를 제조하였다. 긁은 골재를 대체하여 사용한 제강 환원슬래그는 대체되는 굵은 골재와 동일한 부피가 되도록 설계하였다.
- 폴리머 콘크리트 복합재료 공시체를 제조하기 위한 배합설계표를 Table 3에 나타내었다. 배합설계표에서 보는 바와 같이 폴리머 결합재의 첨가량은 4단계(16, 17, 18, 19 vol%), 탄산칼슘 충전재의 첨가량은 16 vol%로 정하고, 잔골재(강모래) 대신 아토마이징 제강 환원슬래그(0.3-1.2 mm)를 사용하였다. 굵은 골재(5-8 mm)를 대체하여 사용한 아토마이징 제강 환원슬래그(1.
- 시편을 아세톤으로 세정하고, 건조시킨 다음 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 시편의 미세조직을 관찰하였다.
- 입경 2.5-5 mm 범위의 시료를 채취하여 아세톤으로 세정하고 48 h 건조시켜 수은 압입법으로 세공을 측정하였다.
- 폴리머 결합재는 성능과 경제성면에서 우수한 불포화폴리에스테르수지에[9,14] 폴리스티렌 수축저감재를 혼합하여 사용하였다. 폴리머 콘크리트 복합재료의 물성을 조사하기 위하여 공시체의 압축 및 휨강도를 측정하였고, 내열수성시험 전과 후의 세공량, 세공경, 세공률 및 밀도변화와 SEM을 이용한 미세 조직과 균열상태 등에 대하여 조사하였다.
- 폴리머 콘크리트에 사용되는 폴리머 결합재의 사용량을 절감하기 위하여 산업 부산물로 생산되는 구형의 아토마이징 제강 환원슬래그를 잔골재와 굵은 골재 대신 사용하여 공시체를 제조하였고, 그 물성에 대하여 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- Figure 4에 본 실험에 사용한 탄산칼슘 충전재, 제강 환원슬래그, 잔골재(강모래)를 각각 나타내었다. 사진에서 보는 바와 같이 제강 환원 슬래그는 표면이 매끄럽고 구형을 이루고 있어 혼합과정에서 볼베어링 효과를 나타내어 적은 양의 폴리머 결합재를 사용하여도 우수한 작업성을 나타내게 된다.
- 그리고 수축저감재로는 폴리스티렌계의 국내 K사에서 생산되는 제품을 사용하였다. 경화제(촉매)로 Methyl ethyl ketone peroxide (MEKPO), 촉진제로 Cobalt octoate (CoOc)를 사용하였다. 충전재로는 중질탄산칼슘(평균입경 30 µm)을 사용하였으며, 잔골재(강모래)는 0.
- 2 mm 범위의 아토마이징 제강 환원슬래그(LFS)로 대체하여 사용하였다. 굵은 골재는 5-8 mm 범위의 깬자갈을 사용하였고, 굵은 골재을 대체하여 사용한 아토마이징 제강 환원슬래그(LFS)는 1.2-2.5 mm의 것을 사용하였다. Table 1에 UP수지와 PS 수축저감재의 물성을 나타내었고, Table 2에 아토마이징 제강 환원슬래그의 화학적 조성을 나타내었다.
- 폴리머 콘크리트 복합재료 제조에 사용한 불포화폴리에스테르 수지는 이소-프탈산을 사용한 2단 반응으로 합성하여 사용하였다. 그리고 수축저감재로는 폴리스티렌계의 국내 K사에서 생산되는 제품을 사용하였다. 경화제(촉매)로 Methyl ethyl ketone peroxide (MEKPO), 촉진제로 Cobalt octoate (CoOc)를 사용하였다.
- 충전재로는 중질탄산칼슘(평균입경 30 µm)을 사용하였으며, 잔골재(강모래)는 0.3-1.2 mm 범위의 아토마이징 제강 환원슬래그(LFS)로 대체하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 아토마이징 제강 환원슬래그를 대량으로 소비할 수 있는 제품, 즉 맨홀 및 원형 수로관 프리캐스트 제품을 개발하기 위하여 폴리머 결합재의 첨가율 및 구형의 아토마이징 제강 환원슬래그의 용적 대체율에 따라 다양한 공시체를 제조하고 물성시험을 통하여 최적의 배합설계를 도출하고자 하였다. 폴리머 결합재는 성능과 경제성면에서 우수한 불포화폴리에스테르수지에[9,14] 폴리스티렌 수축저감재를 혼합하여 사용하였다. 폴리머 콘크리트 복합재료의 물성을 조사하기 위하여 공시체의 압축 및 휨강도를 측정하였고, 내열수성시험 전과 후의 세공량, 세공경, 세공률 및 밀도변화와 SEM을 이용한 미세 조직과 균열상태 등에 대하여 조사하였다.
이론/모형
- KS F 2481 및 2482에 의하여 압축 및 휨강도시험을 수행하였다.
성능/효과
- 그러나 Figure 5(b) 내열수성시험 후의 공시체 표면사진에서는 폴리머 결합재가 열화 또는 분해되어 폴리머 결합재가 많이 빠져나간 모양을 관찰할 수 있다. Figure 6(a) 내열수성시험 전 공시체 파단면 사진에서 아토마이징 제강 환원슬래그의 계면을 따라 폴리머 결합재가 연속적으로 잘 결합되어 있음을 관찰할 수 있다. 그러나 Figure 6(b) 내열수성시험 후 관찰한 사진을 보면 아토마이징 제강 환원슬래그 주위에서 재료들 간의 열팽창계수 차로 인하여 아토마이징 제강 환원슬래그와 폴리머 결합재가 단리 되어있는 모양을 관찰할 수 있다.
- Figure 2에 내열수성시험에 의하여 감소되는 압축 및 휨강도의 감소율을 각각 나타내었다. Figure 2(a) 압축강도 감소율 그림에서 굵은 골재를 대체 사용한 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율 증가에 따라 압축강도는 현저하게 감소되는 것을 알 수 있다. 잔골재만을 아토마이징 제강 환원슬래그로 대체할 경우 압축강도 감소율은 대략 45%정도 감소되는 것으로 보고되고[18] 있으나 굵은 골재까지 아토마이징 제강 환원슬래그로 대체할 경우 훨씬 더 압축강도가 감소되는 것으로 나타나고 있다.
- 1) 폴리머 콘크리트의 압축 및 휨강도는 폴리머 결합재의 사용량 증가에 따라 증가되었으나 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율 증가에 따라 압축강도는 감소되는 반면 휨강도는 대체율 50%에서 최대 강도를 나타내었다. 압축 및 휨강도 측정결과에 따라 폴리머 결합재 첨가율 18 vol%, 제강 환원슬래그의 대체율 50%의 배합이 최적배합으로 나타났다.
- 2) 내열수성시험에 의한 압축 및 휨강도의 감소율은 대체적으로 62-86%과 84-94%로 각각 나타나 압축강도보다 휨강도가 내열수성시험에 취약한 것으로 나타났다. 폴리머 콘크리트의 가장 큰 단점인 내열수성이 아토마이징 제강 환원슬래그를 사용할 경우 더욱 나빠지기 때문에 내열수성이 요구되는 제품에는 사용이 제한되는 것으로 나타났다.
- 3) 내열수성시험 전에 측정한 총세공량과 공극률은 제강 환원슬래그의 대체율이 증가됨에 따라 감소되었으나 세공의 평균직경과 밀도는 증가되었다. 내열수성시험 후에 측정한 총세공량과 공극률은 내열 수성시험 전에 측정한 값에 비하여 현저히 증가되었으나 세공의 평균 직경과 밀도는 감소되었다.
- 4) 내열수성시험 전에 관찰한 전자현미경 사진에서는 폴리머 결합재, 충전재 및 아토마이징 제강 환원슬래그가 견고하게 융착 되어 있었으나 내열수성시험 후에 관찰한 사진에서는 폴리머 결합재가 열화되거나 분해되어 있는 모양을 관찰할 수 있었다. 특히 제강 환원슬래그 주위에서 폴리머 결합재와 제강 환원슬래그간의 열팽창계수 차이로 인하여 단리 되어있는 모양을 관찰할 수 있었다.
- 3) 내열수성시험 전에 측정한 총세공량과 공극률은 제강 환원슬래그의 대체율이 증가됨에 따라 감소되었으나 세공의 평균직경과 밀도는 증가되었다. 내열수성시험 후에 측정한 총세공량과 공극률은 내열 수성시험 전에 측정한 값에 비하여 현저히 증가되었으나 세공의 평균 직경과 밀도는 감소되었다.
- 1) 폴리머 콘크리트의 압축 및 휨강도는 폴리머 결합재의 사용량 증가에 따라 증가되었으나 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율 증가에 따라 압축강도는 감소되는 반면 휨강도는 대체율 50%에서 최대 강도를 나타내었다. 압축 및 휨강도 측정결과에 따라 폴리머 결합재 첨가율 18 vol%, 제강 환원슬래그의 대체율 50%의 배합이 최적배합으로 나타났다.
- 폴리머 결합재 16 vol%를 첨가하여 제조한 공시체의 압축 및 휨강도의 감소율은 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율 증가에 따라 감소율이 급격하게 증가되는 것을 볼 수 있는데 이것은 지나치게 소량으로 사용한 폴리머 결합재가 내열수성시험에 의하여 열화 되면서 강도를 발현할 결합력을 잃어버리기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다. 압축강도 감소율과 휨강도 감소율은 대체적으로 62-86%와 84-94%로 각각 나타나고 있어 내열수성시험에 의한 강도감소 현상은 압축강도보다 휨강도에서 훨씬 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 금속성분을 다량 함유한 제강 환원슬래그를 사용함으로서 폴리머 콘크리트의 제일 큰 단점인 내열성이[10,19] 더욱 나빠지기 때문에 내열성이 요구되는 제품에는 사용에 제한적일 수밖에 없는 것으로 판단된다.
- 보통의 폴리머 콘크리트 제조에 있어서 폴리머 결합재의 사용량은 대략 22 vol%로 알려져 있다. 잔골재 (강모래) 및 굵은 골재(쇄석)를 대체하여 아토마이징 제강 환원슬래그를 사용함으로서 볼베어링 효과에 의한 유동성 향상으로 폴리머 결합재의 사용량을 22 vol%에서 18 vol%로 절감함으로서 약 18.2 vol%의 폴리머 결합재를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
- 4) 내열수성시험 전에 관찰한 전자현미경 사진에서는 폴리머 결합재, 충전재 및 아토마이징 제강 환원슬래그가 견고하게 융착 되어 있었으나 내열수성시험 후에 관찰한 사진에서는 폴리머 결합재가 열화되거나 분해되어 있는 모양을 관찰할 수 있었다. 특히 제강 환원슬래그 주위에서 폴리머 결합재와 제강 환원슬래그간의 열팽창계수 차이로 인하여 단리 되어있는 모양을 관찰할 수 있었다.
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